对很多人而言，呼吸间就是1秒；表盘上秒针走一步就是1秒。但在科学上，秒的精度远不止于此。近日，美国国家标准与技术研究所（NIST）领导的一个研究小组通过空气和光纤链路，以迄今最高的准确度比较了基于铝、锶、镱的3种原子钟。研究结果朝着更精准复现秒定义的目标迈出了重要一步。这项工作首次比较了3个基于不同原子的时钟，也是第一次将不同位置的原子钟隔空相连。3月25日，相关论文刊登于《自然》。
远古时代，人们对时间的参照来源于太阳。日出而作、日落而息，地球自转为人们提供了时间判断标准，这种时标被称为“平太阳时”，也叫“世界时”。慢慢地，人们开始对时间进一步细分，秒出现了。最初，人们借助天文观测得到地球自转的平均周期（即日长），然后细分成86400份，进而得到秒长。这也是天文秒。20世纪20年代，天文学家发现，由于季节性气流和洋流的运动，地球自转有周期性变化。
于是，人们开始提出新的计时方法——原子时。1948年，英国制造出世界上第一台原子钟。原子钟就是以原子中电子的振动为振子的时钟，其中以光波段的电子振动为振子的时钟称为光钟。光晶格钟是光钟的一种。原子钟的准确度使其成为计时和其他精确测量的绝佳工具。这是因为原子会在特定频率发射和吸收光子，这个过程基本不受环境因素干扰。
1967年，国际计量大会决定用原子秒取代天文秒，秒长定义是碱金属铯133同位素基态两个超精细能级之间跃迁辐射的9192631770个周期所持续的时间间隔。1958年1月1日零时零分零秒成为“原子时”的计时起点，并与“世界时”重合。1972年，实验室型铯原子基准钟正式成为复现秒定义的手段。此前，科学家曾演示过频率准确度达小数点后18位的原子钟，超过了目前用于定义秒的铯原子钟。
不过，想要获得更准确的秒定义，就必须对这些原子钟进行比较。迄今为止，使用不同种类原子的钟，频率比值的最高测量准确度能把测量不确定度降到小数点后17位。
Hume和同事部署了一个由3种原子钟组成的网络，并比较了它们在2017年11月至2018年6月间各自的频率比值。这些原子钟分别放置在科罗拉多州博尔德市各个地点的大楼里。
这些原子钟是NIST不同实验室的铝离子时钟和镱晶格时钟，以及位于1.5公里外JILA（NIST和科罗拉多大学的联合研究所）的锶晶格时钟。Godun告诉记者，世界上最好的光学钟包括NIST的铝离子和镱时钟，以及JILA的锶时钟。所有3个时钟的测量频率估计误差在1018分之2或更小。
但测量工作面临前所未有的挑战——这3个原子钟以截然不同的频率“滴答”，因此所有的网络组件都必须以极高的精度运行，无线连接也需要尖端的激光技术和设计。
该研究比较获得的测量精度范围可以达到小数点后18位，这是频率比值不确定度首次小于小数点后17位。具体而言，光纤和空中无线链路的不确定度都只有1018分之6到8。而且，所有3类原子钟都具有卓越的性能，并有望进一步改进。
例如，NIST的镱原子钟代表了原子的固有频率，误差可能在1018分之1.4以内。研究人员还描述了如何通过空中链路在镱时钟和锶时钟之间传输时间信号，他们发现这个过程的工作效率与光纤一样好，且比传统的无线传输方案精确1000倍。这显示了最好的原子钟是如何在地球的远程站点之间同步的，以及时间信号如何在更远的距离上被传输，甚至在宇宙飞船之间传输。新研究也创下了其他重要纪录。
NIST团队测量了频率比值，即三对（镱—锶、镱—铝、铝—锶）原子频率之间的定量关系。这是迄今为止针对该常数得出的3个最精确的测量结果。